JP6679730B2 - Sulfide solid electrolyte - Google Patents

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Description

本発明は、硫化物固体電解質、電極合材及びリチウムイオン電池に関する。   The present invention relates to a sulfide solid electrolyte, an electrode mixture and a lithium ion battery.

近年におけるパソコン、ビデオカメラ、及び携帯電話等の情報関連機器や通信機器等の急速な普及に伴い、その電源として利用される電池の開発が重要視されている。該電池の中でも、エネルギー密度が高いという観点から、リチウムイオン電池が注目を浴びている。
現在市販されているリチウムイオン電池は、可燃性の有機溶媒を含む電解液が使用されているため、短絡時の温度上昇を抑える安全装置の取り付けや短絡防止のための構造・材料面での改善が必要となる。これに対し、電解液を固体電解質に変えて、電池を全固体化したリチウムイオン電池は、電池内に可燃性の有機溶媒を用いないので、安全装置の簡素化が図れ、製造コストや生産性に優れると考えられている。
With the rapid spread of information-related devices such as personal computers, video cameras, and mobile phones and communication devices in recent years, development of batteries used as power sources thereof has been emphasized. Among these batteries, lithium-ion batteries are drawing attention because of their high energy density.
Since lithium-ion batteries currently on the market use an electrolytic solution containing a flammable organic solvent, a safety device that suppresses the temperature rise at the time of a short circuit is attached and the structure and materials are improved to prevent short circuits. Is required. On the other hand, a lithium-ion battery in which the electrolyte is changed to a solid electrolyte to solidify the battery does not use a flammable organic solvent in the battery, so the safety device can be simplified and the manufacturing cost and productivity can be improved. Is considered to be excellent.

リチウムイオン電池に用いられる固体電解質として、硫化物固体電解質が知られている。硫化物固体電解質の結晶構造としては種々のものが知られているが、その1つとしてアルジロダイト(Argyrodite)結晶構造がある(特許文献1〜5、非特許文献1〜3)。
アルジロダイト結晶構造は、安定性が高い結晶であり、また、イオン伝導度の高いものも存在する。しかしながら、量産化可能な製造方法の開発やイオン伝導度のさらなる改善が求められている。
As a solid electrolyte used in a lithium ion battery, a sulfide solid electrolyte is known. Various crystal structures of sulfide solid electrolytes are known, and as one of them, there is an argyrodite crystal structure (Patent Documents 1 to 5 and Non-Patent Documents 1 to 3).
The aldilodite crystal structure is a crystal with high stability, and there are also crystals with high ionic conductivity. However, it is required to develop a mass-production method and further improve the ionic conductivity.

特表2010−540396号公報Japanese Patent Publication No. 2010-540396 国際公開WO2015/011937International Publication WO2015 / 011937 国際公開WO2015/012042International Publication WO2015 / 012042 特開2016−24874号公報JP 2016-24874 A 国際公開WO2016/104702International Publication WO2016 / 104702

Angew.chem Vol.47(2008),No.4,P.755−758Angew. chem Vol. 47 (2008), no. 4, P. 755-758 Phys.Status.Solidi Vol.208(2011),No.8,P.1804−1807Phys. Status. Solidi Vol. 208 (2011), no. 8, P. 1804 to 1807 Solid State Ionics Vol.221(2012)P.1−5Solid State Ionics Vol. 221 (2012) P. 1-5

本発明の目的の1つは、イオン伝導度の高い、アルジロダイト型結晶構造を含む、新規な硫化物固体質を提供することである。   One of the objects of the present invention is to provide a novel sulfide solid substance having a high ionic conductivity and including an aldyrodiite type crystal structure.

本発明の一実施形態によれば、リチウムと、リンと、硫黄と、
硫黄を除くカルコゲン元素及びハロゲン元素からなる群より選択される1種以上の元素Xと、を含み、
アルジロダイト型結晶構造を含み、
前記リチウムのリンに対するモル比a(Li/P)、前記硫黄のリンに対するモル比b(S/P)及び前記元素Xのリンに対するモル比c(X/P)が、下記式(1)〜(3)を満たす、硫化物固体電解質が提供される。
5.0≦a≦7.1 (1)
1.0<a−b≦1.5 (2)
6.5≦a+c<7.1 (3)
(式中、b>0且つc>0を満たす。)
According to one embodiment of the present invention, lithium, phosphorus, sulfur,
Including one or more elements X selected from the group consisting of chalcogen elements other than sulfur and halogen elements,
Including an aldilodite type crystal structure,
The molar ratio a (Li / P) of lithium to phosphorus, the molar ratio b (S / P) of sulfur to phosphorus, and the molar ratio c (X / P) of the element X to phosphorus are represented by the following formulas (1) to A sulfide solid electrolyte satisfying (3) is provided.
5.0 ≦ a ≦ 7.1 (1)
1.0 <ab = 1.5 (2)
6.5 ≦ a + c <7.1 (3)
(In the formula, b> 0 and c> 0 are satisfied.)

本発明の一実施形態によれば、イオン伝導度の高い、アルジロダイト型結晶構造を含む、新規な硫化物固体電解質が提供できる。   According to one embodiment of the present invention, it is possible to provide a novel sulfide solid electrolyte having a high ionic conductivity and including an aldilodite type crystal structure.

実施例1で得た中間体のX線回折パターンである。3 is an X-ray diffraction pattern of the intermediate product obtained in Example 1. 実施例1で得た硫化物固体電解質のX線回折パターンである。3 is an X-ray diffraction pattern of the sulfide solid electrolyte obtained in Example 1. 比較例7の混合粉末のX線回折パターンである。9 is an X-ray diffraction pattern of the mixed powder of Comparative Example 7.

本発明の一実施形態に係る硫化物固体電解質は、リチウムと、リンと、硫黄と、硫黄を除くカルコゲン元素及びハロゲン元素からなる群より選択される1種以上の元素Xと、を含む。そして、リチウムのリンに対するモル比a(Li/P)、硫黄のリンに対するモル比b(S/P)及び元素Xのリンに対するモル比c(X/P)が、下記式(1)〜(3)を満たすことを特徴とする。
5.0≦a≦7.1 (1)
1.0<a−b≦1.5 (2)
6.5≦a+c<7.1 (3)
(式中、b>0且つc>0を満たす。)
The sulfide solid electrolyte according to one embodiment of the present invention contains lithium, phosphorus, sulfur, and one or more elements X selected from the group consisting of chalcogen elements and halogen elements other than sulfur. Then, the molar ratio a (Li / P) of lithium to phosphorus, the molar ratio b (S / P) of sulfur to phosphorus, and the molar ratio c (X / P) of element X to phosphorus are represented by the following formulas (1) to ( 3) is satisfied.
5.0 ≦ a ≦ 7.1 (1)
1.0 <ab = 1.5 (2)
6.5 ≦ a + c <7.1 (3)
(In the formula, b> 0 and c> 0 are satisfied.)

一般的なアルジロダイト結晶を含む硫化物固体電解質の化学量論組成は、Li7−xPS6−xで表される。本実施形態の硫化物固体電解質は、一般的な組成と異なる組成を有する。Sの組成ずれをα、Xの組成ずれをβとした場合、本実施形態の硫化物固体電解質の組成はLi7−xPS6−x+αx+βで表される。この場合において、上記式(2)のa−bは、a−b=7−x−(6−x+α)=1−αとなり、Sの組成ずれと相関する値であり、上記式(3)のa+cは、a+c=7−x+x+β=7+βとなり、Xの組成ずれと相関する値である。
式(2)の1.0<a−b≦1.5は、1.0<1−α<≦1.5となり、さらに式を変形すると−0.5≦α<0となる。即ち、本実施形態の硫化物固体電解質は、一般的なアルジロダイト結晶を含む硫化物固体電解質よりも、S(硫黄)の一部が欠陥した硫化物固体電解質である。
The stoichiometric composition of a sulfide solid electrolyte containing a general aldyrodiite crystal is represented by Li 7-x PS 6-x X x . The sulfide solid electrolyte of this embodiment has a composition different from a general composition. When the composition deviation of S is α and the composition deviation of X is β, the composition of the sulfide solid electrolyte of the present embodiment is represented by Li 7-x PS 6-x + α X x + β . In this case, a−b in the above formula (2) becomes a−b = 7−x− (6−x + α) = 1−α, which is a value that correlates with the composition shift of S, and is represented by the above formula (3). A + c is a + c = 7−x + x + β = 7 + β, which is a value that correlates with the composition deviation of X.
1.0 <ab = 1.5 in the formula (2) becomes 1.0 <1-α <≦ 1.5, and when the formula is further modified, −0.5 ≦ α <0. That is, the sulfide solid electrolyte of the present embodiment is a sulfide solid electrolyte in which a part of S (sulfur) is deficient as compared with a general sulfide solid electrolyte containing aldyrodiite crystals.

硫黄を除くカルコゲン元素としては、酸素(O)、セレン(Se)、テルル(Te)等が挙げられる。
また、ハロゲン元素としては、F、Cl、Br、I等が挙げられる。
上記式(2)は、1.0<a−b≦1.4であることが好ましく、1.0<a−b≦1.3であることがより好ましい。
上記式(3)は、6.7≦a+c<7.1であると好ましく、6.85≦a+c<7.1であるとより好ましい。
本実施形態の硫化物固体電解質では、上記式(1)、上記式(2)が1.0<a−b≦1.5および上記式(3)が6.5≦a+c<7.1の場合には、イオン伝導度が5.1mS/cm以上である。上記式(1)、上記式(2)が1.0<a−b≦1.4および上記式(3)が6.7≦a+c<7.1の場合には、イオン伝導度が5.8mS/cm以上と、より高くすることができる。さらに、上記式(1)、上記式(2)が1.0<a−b≦1.3および上記式(3)が6.85≦a+c<7.1の場合には、イオン伝導度が6.9mS/cm以上と、さらに高くすることができる。
Examples of the chalcogen element excluding sulfur include oxygen (O), selenium (Se), tellurium (Te), and the like.
Further, examples of the halogen element include F, Cl, Br, I and the like.
The above formula (2) is preferably 1.0 <ab ≦ 1.4, and more preferably 1.0 <ab ≦ 1.3.
The above formula (3) is preferably 6.7 ≦ a + c <7.1, and more preferably 6.85 ≦ a + c <7.1.
In the sulfide solid electrolyte of the present embodiment, the above formula (1) and the above formula (2) satisfy 1.0 <ab−b ≦ 1.5 and the above formula (3) satisfies 6.5 ≦ a + c <7.1. In some cases, the ionic conductivity is 5.1 mS / cm or more. When 1.0 <ab−b ≦ 1.4 in the above formulas (1) and (2) and 6.7 ≦ a + c <7.1 in the above formulas (3), the ionic conductivity is 5. It can be increased to 8 mS / cm or more. Furthermore, when the above formulas (1) and (2) are 1.0 <ab−1.3, and the above formula (3) is 6.85 ≦ a + c <7.1, the ionic conductivity is It can be further increased to 6.9 mS / cm or more.

硫化物固体電解質における各元素のモル比や組成は、ICP発光分析法で測定することができる。ICP発光分析法の測定方法は、実施例に記載する。
各元素のモル比は、原料における各元素の含有量を調製することにより制御できる。
The molar ratio and composition of each element in the sulfide solid electrolyte can be measured by ICP emission spectrometry. The measuring method of ICP emission spectrometry is described in Examples.
The molar ratio of each element can be controlled by adjusting the content of each element in the raw material.

元素Xのイオン半径が小さいほどアルジロダイト型結晶構造中に含まれる元素Xが多くなり、イオン伝導度が高くなることから、リチウムのリンに対するモル比aは、元素Xのイオン半径により調整することが好ましい。元素Xは、イオン半径の大きさにより、下記の3つの群(X,X及びX)に分類できる。
:F、Cl、O
:Br
:I、Se、Te
元素Xにおいて、元素Xの占めるモル比が最も大きい場合、上記式(1)は、5.2≦a≦6.5であることが好ましく、5.25≦a≦6.4であることがより好ましい。また、元素Xにおいて、元素Xの占めるモル比が最も大きい場合、上記式(1)は、5.2≦a≦6.8であることが好ましく、5.3≦a≦6.6であることがより好ましい。また、元素Xにおいて、元素Xの占めるモル比が最も大きい場合、上記式(1)は、5.5≦a≦7.0であることが好ましく、5.5≦a≦6.8であることがより好ましい。
The smaller the ionic radius of the element X, the more the element X contained in the aldyrodiite type crystal structure and the higher the ionic conductivity. Therefore, the molar ratio a of lithium to phosphorus can be adjusted by the ionic radius of the element X. preferable. The element X can be classified into the following three groups (X 1 , X 2 and X 3 ) according to the size of the ionic radius.
X 1 : F, Cl, O
X 2 : Br
X 3 : I, Se, Te
In the element X, when the molar ratio occupied by the element X 1 is the largest, the above formula (1) is preferably 5.2 ≦ a ≦ 6.5, and preferably 5.25 ≦ a ≦ 6.4. Is more preferable. Further, in the element X, when the molar ratio occupied by the element X 2 is the largest, the above formula (1) preferably satisfies 5.2 ≦ a ≦ 6.8, and 5.3 ≦ a ≦ 6.6. More preferably. Further, in the element X, when the molar ratio occupied by the element X 3 is the largest, the above formula (1) preferably satisfies 5.5 ≦ a ≦ 7.0, and 5.5 ≦ a ≦ 6.8. More preferably.

元素Xは、ハロゲン元素のみで構成されていることが好ましい。
上記リンは硫化物固体電解質の骨格構造を構成する元素である。
The element X is preferably composed of only a halogen element.
The phosphorus is an element that constitutes the skeletal structure of the sulfide solid electrolyte.

本実施形態の硫化物固体電解質は、アルジロダイト型結晶構造を含む。硫化物固体電解質の一部がアルジロダイト型結晶構造であっても、全部がアルジロダイト型結晶構造であってもよい。
本実施形態の硫化物固体電解質は、例えば、CuKα線を使用した粉末X線回折測定において、2θ=25.2±0.5deg及び29.7±0.5degに回折ピークを有することにより、アルジロダイト型結晶構造を有していると判断できる。2θ=25.2±0.5deg及び29.7±0.5degの回折ピークは、アルジロダイト型結晶構造に由来するピークである。アルジロダイト型結晶構造は、PS 3−を主たる骨格の単位構造とし、その周辺にリチウム元素(Li)で囲まれた硫黄元素(S)やハロゲン元素(X)が配置されている構造である。
アルジロダイト型結晶構造の回折ピークは、例えば、2θ=15.3±0.5deg、17.7±0.5deg、31.1.±0.5deg、44.9±0.5deg、47.7±0.5degにも現れることがある。本実施形態の硫化物固体電解質は、これらのピークを有していてもよい。
The sulfide solid electrolyte of the present embodiment includes an aldyrodiite type crystal structure. A part of the sulfide solid electrolyte may have an aldilodite type crystal structure, or all of the sulfide solid electrolyte may have an aldyrodite type crystal structure.
The sulfide solid electrolyte of the present embodiment has a diffraction peak at 2θ = 25.2 ± 0.5 deg and 29.7 ± 0.5 deg, for example, in powder X-ray diffraction measurement using CuKα ray, and thus has a aldyrodite structure. It can be determined to have a type crystal structure. The diffraction peaks at 2θ = 25.2 ± 0.5 deg and 29.7 ± 0.5 deg are peaks derived from the aldilodite type crystal structure. Arujirodaito type crystal structure, and PS 4 3- of the unit structure of the main skeleton, a structure surrounded by elemental sulfur lithium element (Li) around its (S) or halogen element (X) is arranged.
The diffraction peaks of the aldilodite type crystal structure are, for example, 2θ = 15.3 ± 0.5 deg, 17.7 ± 0.5 deg, 31.1. It may appear in ± 0.5 deg, 44.9 ± 0.5 deg, and 47.7 ± 0.5 deg. The sulfide solid electrolyte of this embodiment may have these peaks.

なお、本願において回折ピークの位置は、中央値をAとした場合、A±0.5degで判定しているが、A±0.3degであることが好ましい。例えば、上述した2θ=25.2±0.5degの回折ピークの場合、中央値Aは25.2degであり、2θ=25.2±0.3degの範囲に存在することが好ましい。本願における他のすべての回折ピーク位置の判定についても同様である。   In the present application, the position of the diffraction peak is determined to be A ± 0.5 deg when the median value is A, but it is preferably A ± 0.3 deg. For example, in the case of the diffraction peak of 2θ = 25.2 ± 0.5 deg described above, the median value A is 25.2 deg, and it is preferable that the median value A exists in the range of 2θ = 25.2 ± 0.3 deg. The same applies to determination of all other diffraction peak positions in the present application.

アルジロダイト型結晶構造としては、例えば、非特許文献1〜3、特表2010−540396号公報、特開2011−096630号公報、特開2013−211171号公報に開示されている結晶構造を挙げることができる。   Examples of the aldilodite type crystal structure include the crystal structures disclosed in Non-Patent Documents 1 to 3, JP 2010-540396 A, JP 2011-096630 A, and JP 2013-211171 A. it can.

本実施形態の硫化物固体電解質は、アルジロダイト型結晶構造以外の結晶構造を含んでいてもよい。一般に硫化物固体電解質中には、多種の結晶成分及び非晶質成分が混在している。本実施形態において、結晶構造を含む硫化物固体電解質は、X線回折測定においてX線回折パターンに、硫化物固体電解質由来のピークが観測される硫化物固体電解質である。また、残留原料が含まれている場合も考えられる。   The sulfide solid electrolyte of the present embodiment may include a crystal structure other than the aldilodite type crystal structure. In general, various crystal components and amorphous components are mixed in the sulfide solid electrolyte. In the present embodiment, the sulfide solid electrolyte containing a crystal structure is a sulfide solid electrolyte in which a peak derived from the sulfide solid electrolyte is observed in the X-ray diffraction pattern in the X-ray diffraction measurement. It is also possible that residual raw materials are included.

本実施形態の硫化物固体電解質は、上記リチウム、リン、硫黄及び元素Xの他に、Si、Ge、Sn、Pb、B、Al、Ga、As、Sb、Bi等の元素を含んでいてもよい。硫化物固体電解質が、Si、Ge、Sn、Pb、B、Al、Ga、As、Sb及びBiからなる群より選択される1以上の元素Mを含む場合、上記(1)〜(3)における各元素のモル比は、元素Mとリンの合計に対するモル比とする。例えば、リチウムのリンに対するモル比a(Li/P)は、Li/(P+M)とする。   The sulfide solid electrolyte of the present embodiment may contain elements such as Si, Ge, Sn, Pb, B, Al, Ga, As, Sb, and Bi in addition to the above lithium, phosphorus, sulfur and element X. Good. In the case where the sulfide solid electrolyte contains one or more elements M selected from the group consisting of Si, Ge, Sn, Pb, B, Al, Ga, As, Sb and Bi, in (1) to (3) above. The molar ratio of each element is the molar ratio with respect to the total of the element M and phosphorus. For example, the molar ratio a (Li / P) of lithium to phosphorus is Li / (P + M).

本実施形態の硫化物固体電解質は、例えば、下記式(4)で表される組成を満たすことが好ましい。
Li(P1−z)S (4)
(式中、Mは、Si、Ge、Sn、Pb、B、Al、Ga、As、Sb及びBiからなる群より選択される1以上の元素であり、Xは、F、Cl、Br、I、O、Se及びTeからなる群から選択される1以上の元素である。a〜cは上記式(1)〜(3)を満たす。zは0≦z≦0.3である。)
The sulfide solid electrolyte of the present embodiment preferably satisfies, for example, the composition represented by the following formula (4).
Li a (P 1-z M z ) S b X c (4)
(In the formula, M is one or more elements selected from the group consisting of Si, Ge, Sn, Pb, B, Al, Ga, As, Sb and Bi, and X is F, Cl, Br, I. , O, Se, and Te are one or more elements selected from the group consisting of a to c satisfying the above formulas (1) to (3), and z is 0 ≦ z ≦ 0.3.

式(4)において、X全体に対する上記元素Xの占めるモル比が最も大きい場合、aは、5.2≦a≦6.5であることが好ましく、5.25≦a≦6.4であることがより好ましい。また、元素Xの占めるモル比が最も大きい場合、aは、5.2≦a≦6.8であることが好ましく、5.3≦a≦6.6であることがより好ましい。元素Xの占めるモル比が最も大きい場合、aは、5.5≦a≦7.0であることが好ましく、5.5≦a≦6.8であることがより好ましい。In the formula (4), when the molar ratio of the element X 1 to the whole X is largest, a is preferably 5.2 ≦ a ≦ 6.5, and 5.25 ≦ a ≦ 6.4. More preferably. When the molar ratio occupied by the element X 2 is the largest, a is preferably 5.2 ≦ a ≦ 6.8, more preferably 5.3 ≦ a ≦ 6.6. When the molar ratio of the element X 3 is the largest, a is preferably 5.5 ≦ a ≦ 7.0, and more preferably 5.5 ≦ a ≦ 6.8.

式(4)のXはF、Cl、Br及びIから選択される1以上のハロゲン元素であることが好ましい。これにより、ハロゲン元素がアルジロダイト型結晶構造中に取り込まれて、イオン伝導性が高くなる。ハロゲン元素を2種以上含む場合、各元素の含有比は限定されない。
zは0が好ましい。
X in formula (4) is preferably one or more halogen elements selected from F, Cl, Br and I. As a result, the halogen element is incorporated into the aldilodite type crystal structure, and the ionic conductivity is increased. When two or more halogen elements are contained, the content ratio of each element is not limited.
z is preferably 0.

また、本実施形態の硫化物固体電解質は、CuKα線を使用した粉末X線回折において、2θ=17.6±0.4deg及び2θ=18.1±0.4degに回折ピーク(アルジロダイト型結晶構造に起因する回折ピークではない)を有しないか、有する場合には下記式(5)を満たすことが好ましい。
0<I/I<0.05 (5)
(式中、Iは2θ=17.6±0.4deg及び2θ=18.1±0.4degのうちアルジロダイト型結晶構造の回折ピークではないものの回折ピークの強度を表し、Iは2θ=29.7±0.5degの回折ピークの強度を表す。)
In the powder X-ray diffraction using CuKα ray, the sulfide solid electrolyte of the present embodiment has diffraction peaks at 2θ = 17.6 ± 0.4 deg and 2θ = 18.1 ± 0.4 deg (aldirodite type crystal structure). It is preferable that the following formula (5) is satisfied.
0 <I A / I B < 0.05 (5)
(In the formula, I A represents the intensity of a diffraction peak of 2θ = 17.6 ± 0.4 deg and 2θ = 18.1 ± 0.4 deg which is not the diffraction peak of the aldyrodiite type crystal structure, and I B represents 2θ = It represents the intensity of the diffraction peak at 29.7 ± 0.5 deg.)

で特定される結晶構造(以下、LiPS結晶構造という。)は、低イオン伝導性であるため、固体電解質のイオン伝導度を低下させる。上記式(5)は、アルジロダイト型結晶構造に比して、LiPS結晶構造の量が相対的に少ないことを表す。式(5)は、0<I/I<0.03であることがより好ましく、0<I/I<0.02であることがさらに好ましい。
なお、2θ=17.6±0.4deg及び2θ=18.1±0.4degのいずれかは、通常、比較的ピーク強度の強いアルジロダイト型結晶構造の回折ピークと重なるため測定できない場合がある。従って、2θ=17.6±0.4deg及び2θ=18.1±0.4degのうちアルジロダイト型結晶構造の回折ピークではないものとは、通常、観測されるこれら2つのピークのうち強度の弱い方を意味する。
Crystal structure identified by I A (hereinafter. Referred to Li 3 PS 4 crystal structure) are the low ionic conductivity, lowering the ionic conductivity of the solid electrolyte. The above formula (5) represents that the amount of Li 3 PS 4 crystal structure is relatively small as compared with the aldilodite type crystal structure. Equation (5) is, 0 <more preferably I A / I B <0.03, even more preferably from 0 <I A / I B < 0.02.
Either 2θ = 17.6 ± 0.4 deg or 2θ = 18.1 ± 0.4 deg may not be measured because it usually overlaps with the diffraction peak of the aldilodite type crystal structure having a relatively high peak intensity. Therefore, the one which is not the diffraction peak of the aldyrodite type crystal structure among 2θ = 17.6 ± 0.4 deg and 2θ = 18.1 ± 0.4 deg is usually the weakest of the two observed peaks. Means one.

本実施形態の硫化物固体電解質は、後述する原料の混合物に、機械的応力を加えて反応させることにより、中間体を作製する工程と、中間体を熱処理して結晶化する工程を有する製造方法により作製できる。   The sulfide solid electrolyte of the present embodiment is a production method having a step of producing an intermediate by reacting a mixture of raw materials described later by applying mechanical stress, and a step of heat-treating the intermediate to crystallize it. Can be manufactured by.

使用する原料は、製造する硫化物固体電解質が必須として含む元素、すなわち、リチウム、リン、硫黄及び元素Xを全体として含む2種以上の化合物又は単体を組み合わせて使用する。   As the raw material to be used, two or more kinds of compounds or simple substances containing the elements that the sulfide solid electrolyte to be produced essentially contains, that is, lithium, phosphorus, sulfur and the element X as a whole, are used in combination.

リチウムを含む原料としては、例えば、硫化リチウム(LiS)、酸化リチウム(LiO)、炭酸リチウム(LiCO)等のリチウム化合物、及びリチウム金属単体等が挙げられる。中でも、リチウム化合物が好ましく、硫化リチウムがより好ましい。
上記硫化リチウムは、制限なく使用できるが、高純度のものが好ましい。硫化リチウムは、例えば、特開平7−330312号公報、特開平9−283156号公報、特開2010−163356号公報、特開2011−84438号公報に記載の方法により製造することができる。
具体的には、炭化水素系有機溶媒中で水酸化リチウムと硫化水素とを70℃〜300℃で反応させて、水硫化リチウムを生成し、次いでこの反応液を脱硫化水素化することにより硫化リチウムを合成できる(特開2010−163356号公報)。
また、水溶媒中で水酸化リチウムと硫化水素とを10℃〜100℃で反応させて、水硫化リチウムを生成し、次いでこの反応液を脱硫化水素化することにより硫化リチウムを合成できる(特開2011−84438号公報)。
Examples of the raw material containing lithium include lithium compounds such as lithium sulfide (Li 2 S), lithium oxide (Li 2 O) and lithium carbonate (Li 2 CO 3 ), and simple lithium metal. Of these, lithium compounds are preferable, and lithium sulfide is more preferable.
The lithium sulfide can be used without any limitation, but a high purity one is preferable. Lithium sulfide can be produced, for example, by the method described in JP-A-7-330312, JP-A-9-283156, JP-A-2010-163356, and JP-A-2011-84438.
Specifically, lithium hydroxide and hydrogen sulfide are reacted at 70 ° C. to 300 ° C. in a hydrocarbon-based organic solvent to produce lithium hydrosulfide, and then this reaction liquid is desulfurized by sulfidation. Lithium can be synthesized (JP 2010-163356A).
In addition, lithium hydroxide and hydrogen sulfide are reacted in an aqueous solvent at 10 ° C. to 100 ° C. to generate lithium hydrosulfide, and then the reaction solution is dehydrosulfided to synthesize lithium sulfide. JP 2011-84438 A).

リンを含む原料としては、例えば、三硫化二リン(P)、五硫化二リン(P)等の硫化リン、リン酸ナトリウム(NaPO)等のリン化合物、及びリン単体等が挙げられる。これらの中でも、硫化リンが好ましく、五硫化二リン(P)がより好ましい。五硫化二リン(P)等のリン化合物、リン単体は、工業的に製造され、販売されているものであれば、限定なく使用することができる。Examples of the raw material containing phosphorus include phosphorus sulfide such as phosphorus trisulfide (P 2 S 3 ), phosphorus pentasulfide (P 2 S 5 ), phosphorus compounds such as sodium phosphate (Na 3 PO 4 ), and Examples include phosphorus alone. Among these, phosphorus sulfide is preferable, and phosphorus pentasulfide (P 2 S 5 ) is more preferable. The phosphorus compound such as diphosphorus pentasulfide (P 2 S 5 ) and the simple substance of phosphorus can be used without limitation as long as they are industrially produced and sold.

元素Xを含む原料としては、例えば、下記式(6)で表される、ハロゲン化合物を含むことが好ましい。
−X (6)
The raw material containing the element X preferably contains, for example, a halogen compound represented by the following formula (6).
M l- X m (6)

式(6)中、Mは、ナトリウム(Na)、リチウム(Li)、ホウ素(B)、アルミニウム(Al)、ケイ素(Si)、リン(P)、硫黄(S)、ゲルマニウム(Ge)、ヒ素(As)、セレン(Se)、スズ(Sn)、アンチモン(Sb)、テルル(Te)、鉛(Pb)、ビスマス(Bi)、又はこれらの元素に酸素元素、硫黄元素が結合したものを示し、リチウム(Li)又はリン(P)が好ましく、リチウム(Li)がより好ましい。
Xは、フッ素(F)、塩素(Cl)、臭素(Br)、及びヨウ素(I)から選択されるハロゲン元素である。
また、lは1又は2の整数であり、mは1〜10の整数である。mが2〜10の整数の場合、すなわち、Xが複数存在する場合は、Xは同じであってもよいし、異なっていてもよい。例えば、後述するSiBrClは、mが4であって、XはBrとClという異なる元素からなるものである。
In the formula (6), M is sodium (Na), lithium (Li), boron (B), aluminum (Al), silicon (Si), phosphorus (P), sulfur (S), germanium (Ge), arsenic. (As), selenium (Se), tin (Sn), antimony (Sb), tellurium (Te), lead (Pb), bismuth (Bi), or a combination of these elements with an oxygen element or a sulfur element , Lithium (Li) or phosphorus (P) is preferable, and lithium (Li) is more preferable.
X is a halogen element selected from fluorine (F), chlorine (Cl), bromine (Br), and iodine (I).
In addition, 1 is an integer of 1 or 2, and m is an integer of 1 to 10. When m is an integer of 2 to 10, that is, when there are a plurality of Xs, Xs may be the same or different. For example, SiBrCl 3 described later has m of 4 and X is composed of different elements of Br and Cl.

上記式(6)で表されるハロゲン化合物としては、具体的には、NaI、NaF、NaCl、NaBr等のハロゲン化ナトリウム;LiF、LiCl、LiBr、LiI等のハロゲン化リチウム;BCl、BBr、BI等のハロゲン化ホウ素;AlF、AlBr、AlI、AlCl等のハロゲン化アルミニウム;SiF、SiCl、SiCl、SiCl、SiBr、SiBrCl、SiBrCl、SiI等のハロゲン化ケイ素;PF、PF、PCl、PCl、POCl、PBr、POBr、PI、PCl、P等のハロゲン化リン;SF、SF、SF、S10、SCl、SCl、SBr等のハロゲン化硫黄;GeF、GeCl、GeBr、GeI、GeF、GeCl、GeBr、GeI等のハロゲン化ゲルマニウム;AsF、AsCl、AsBr、AsI、AsF等のハロゲン化ヒ素;SeF、SeF、SeCl、SeCl、SeBr、SeBr等のハロゲン化セレン;SnF、SnCl、SnBr、SnI、SnF、SnCl、SnBr、SnI等のハロゲン化スズ;SbF、SbCl、SbBr、SbI、SbF、SbCl等のハロゲン化アンチモン;TeF、Te10、TeF、TeCl、TeCl、TeBr、TeBr、TeI等のハロゲン化テルル;PbF、PbCl、PbF、PbCl、PbBr、PbI等のハロゲン化鉛;BiF、BiCl、BiBr、BiI等のハロゲン化ビスマス等が挙げられる。Specific examples of the halogen compound represented by the above formula (6) include sodium halides such as NaI, NaF, NaCl and NaBr; lithium halides such as LiF, LiCl, LiBr and LiI; BCl 3 and BBr 3. , BI 3 and other boron halides; AlF 3 , AlBr 3 , AlI 3 , and aluminum halides such as AlCl 3 ; SiF 4 , SiCl 4 , SiCl 3 , Si 2 Cl 6 , SiBr 4 , SiBrCl 3 , and SiBr 2 Cl 2 , SiI 4 and halogenated silicon; PF 3, PF 5, PCl 3, PCl 5, POCl 3, PBr 3, POBr 3, PI 3, P 2 Cl 4, P 2 I 4 halogenated such as phosphorus; SF 2 , SF 4 , SF 6 , S 2 F 10 , SCl 2 , S 2 Cl 2 , S 2 Br 2, etc. Sulfur: GeF 4 , GeCl 4 , GeBr 4 , GeI 4 , GeF 2 , GeCl 2 , germanium halide such as GeBr 2 , GeI 2 ; AsF 3 , AsCl 3 , AsBr 3 , AsI 3 , halogenated AsF 5, etc. ; SeF 4, SeF 6, SeCl 2, SeCl 4, Se 2 Br 2, SeBr 4 halogenated such as selenium; SnF 4, SnCl 4, SnBr 4, SnI 4, SnF 2, SnCl 2, SnBr 2, SnI 2 , etc. halogenated tin; SbF 3, SbCl 3, SbBr 3, SbI 3, SbF 5, SbCl 5 halogenated and antimony; TeF 4, Te 2 F 10 , TeF 6, TeCl 2, TeCl 4, TeBr 2, TeBr 4 halogenated tellurium such as TeI 4; PbF 4, PbCl 4 PbF 2, PbCl 2, PbBr 2 , PbI 2 , etc. lead halide of; BiF 3, BiCl 3, BiBr 3, BiI 3 halogenated bismuth, etc., and the like.

中でも、塩化リチウム(LiCl)、臭化リチウム(LiBr)、ヨウ化リチウム(LiI)等のハロゲン化リチウム、五塩化リン(PCl)、三塩化リン(PCl)、五臭化リン(PBr)、三臭化リン(PBr)等のハロゲン化リンが好ましく挙げられる。中でも、LiCl、LiBr、LiI等のハロゲン化リチウム、PBrが好ましく、LiCl、LiBr、LiI等のハロゲン化リチウムがより好ましく、LiClとLiBrがさらに好ましい。
ハロゲン化合物は、上記の化合物の中から一種を単独で用いてもよく、二種以上を組み合わせて用いてもよい。すなわち上記の化合物の少なくとも1つを用いることができる。また、この場合において、ハロゲン元素は、上記のハロゲン元素の中から一種を単独で用いてもよく、二種以上を組み合わせて用いてもよい。
Among them, lithium halides such as lithium chloride (LiCl), lithium bromide (LiBr) and lithium iodide (LiI), phosphorus pentachloride (PCl 5 ), phosphorus trichloride (PCl 3 ), phosphorus pentabromide (PBr 5). ) And phosphorus halides such as phosphorus tribromide (PBr 3 ). Among them, lithium halides such as LiCl, LiBr and LiI and PBr 3 are preferable, lithium halides such as LiCl, LiBr and LiI are more preferable, and LiCl and LiBr are further preferable.
As the halogen compound, one of the above compounds may be used alone, or two or more may be used in combination. That is, at least one of the above compounds can be used. In this case, the halogen element may be used alone or in combination of two or more of the above halogen elements.

本実施形態では、リチウム化合物、リン化合物、及びハロゲン化合物を含み、該リチウム化合物、及びリン化合物の少なくとも一方が硫黄元素を含むことが好ましく、硫化リチウムと硫化リンとハロゲン化リチウムとの組合せがより好ましく、硫化リチウムと五硫化二リンとハロゲン化リチウムの組合せが更に好ましい。   In the present embodiment, a lithium compound, a phosphorus compound, and a halogen compound are contained, and it is preferable that at least one of the lithium compound and the phosphorus compound contains an elemental sulfur, and a combination of lithium sulfide, phosphorus sulfide, and lithium halide is more preferable. A combination of lithium sulfide, phosphorus pentasulfide and lithium halide is more preferable.

本実施形態においては、上記の原料に機械的応力を加えて反応させ、中間体とする。ここで、「機械的応力を加える」とは、機械的にせん断力や衝撃力等を加えることである。機械的応力を加える手段としては、例えば、遊星ボールミル、振動ミル、転動ミル等の粉砕機や、混練機等を挙げることができる。
従来技術(例えば、特許文献2等)では、原料粉末の結晶性を維持できる程度に粉砕混合している。一方、本実施形態では原料に機械的応力を加えて反応させ、ガラス成分を含む中間体とすることが好ましい。すなわち、従来技術よりも強い機械的応力により、原料粉末の少なくとも一部が結晶性を維持できない状態まで粉砕混合する。これにより、中間体の段階でアルジロダイト型結晶構造の基本骨格であるPS構造を生じさせ、かつ、ハロゲンを高分散させることができる。その結果、次工程の熱処理時に、安定相であるアルジロダイト型結晶構造となる際に、ハロゲンがアルジロダイト型結晶構造に取り込まれ易くなる。また、領域毎に異なる相を経ないため、LiPS結晶構造等の低イオン伝導相が生じにくいと推定している。これにより、本実施形態の硫化物固体電解質は高いイオン伝導度を発現すると推定している。
尚、中間体がガラス(非晶質)成分を含むことは、XRD測定において非晶質成分に起因するブロードなピーク(ハローパターン)の存在により確認できる。
また、本実施形態の硫化物固体電解質は、特許文献1のように原料を550℃で6日間も加熱する必要はないため、量産性が高い。
In the present embodiment, mechanical stress is applied to the above raw materials to react with each other to form an intermediate. Here, “applying mechanical stress” means mechanically applying a shearing force, an impact force, or the like. Examples of means for applying mechanical stress include a crusher such as a planetary ball mill, a vibration mill, and a rolling mill, and a kneader.
In the conventional technology (for example, Patent Document 2), the raw material powder is pulverized and mixed to such an extent that the crystallinity can be maintained. On the other hand, in the present embodiment, it is preferable that a mechanical stress is applied to the raw material to react the raw material to obtain an intermediate containing a glass component. That is, due to the mechanical stress stronger than that of the conventional technique, at least a part of the raw material powder is pulverized and mixed until the crystallinity cannot be maintained. As a result, the PS 4 structure, which is the basic skeleton of the aldyrodite type crystal structure, can be produced in the intermediate stage, and the halogen can be highly dispersed. As a result, in the heat treatment of the next step, when the aldilodite type crystal structure that is a stable phase is formed, halogen is easily incorporated into the aldyrodite type crystal structure. Further, it is presumed that a low ionic conduction phase such as a Li 3 PS 4 crystal structure is unlikely to occur because the phase does not pass through different regions. From this, it is estimated that the sulfide solid electrolyte of the present embodiment exhibits high ionic conductivity.
The presence of the glass (amorphous) component in the intermediate can be confirmed by the presence of a broad peak (halo pattern) due to the amorphous component in XRD measurement.
Further, the sulfide solid electrolyte of the present embodiment has high mass productivity because it is not necessary to heat the raw material at 550 ° C. for 6 days as in Patent Document 1.

イオン伝導度の高い硫化物固体電解質とは、アルジロダイト型結晶構造中でリチウムが動き易い硫化物固体電解質である。本実施形態の硫化物固体電解質は、S(硫黄)の一部が欠陥した硫化物固体電解質であり、アルジロダイト型結晶構造の非架橋アニオンサイトにSの欠陥が生じていると推定される。当該欠陥があることでアルジロダイト型結晶構造中のリチウム量が減り、リチウムの拡散が起こり易くなって、高いイオン伝導度が得られる。   The sulfide solid electrolyte having high ionic conductivity is a sulfide solid electrolyte in which lithium easily moves in the aldilodite type crystal structure. The sulfide solid electrolyte of the present embodiment is a sulfide solid electrolyte in which part of S (sulfur) is deficient, and it is presumed that S deficiency occurs in the non-bridging anion site of the aldilodite type crystal structure. The presence of the defects reduces the amount of lithium in the aldilodite type crystal structure, facilitates diffusion of lithium, and provides high ionic conductivity.

尚、ガラス成分を含む中間体を経由せずに、原料から直接、アルジロダイト型結晶構造を含む硫化物固体電解質を製造する場合、イオン伝導度の高い硫化物固体電解質を得るのは難しい。原料から直接、硫化物固体電解質を製造する場合には、熱処理中にS(硫黄)が飛び易く、未反応のハロゲン化リチウムが残存し易いためである。未反応のハロゲン化リチウムが残存することで、アルジロダイト結晶構造にハロゲンが入っていかず、また、得られる硫化物固体電解質中にLiPS相などの低伝導相が析出し易い。
ガラス成分を含む中間体を製造し、原子レベルで材料を混ぜ合わせることで、ガラス成分を含む中間体の熱処理中において、Sが飛ぶこと無く、未反応ハロゲン化リチウムの残存も生じず、低伝導相の析出を防ぐことができる。
In the case of directly producing a sulfide solid electrolyte containing an aldilodite type crystal structure without passing through an intermediate containing a glass component, it is difficult to obtain a sulfide solid electrolyte having high ionic conductivity. This is because, when the sulfide solid electrolyte is directly produced from the raw material, S (sulfur) is likely to fly during the heat treatment and unreacted lithium halide is likely to remain. Since the unreacted lithium halide remains, halogen is not contained in the aldilodite crystal structure, and a low-conductivity phase such as Li 3 PS 4 phase easily precipitates in the obtained sulfide solid electrolyte.
By manufacturing an intermediate containing a glass component and mixing the materials at the atomic level, S does not fly during the heat treatment of the intermediate containing a glass component, no unreacted lithium halide remains, and low conductivity is achieved. Phase precipitation can be prevented.

粉砕混合の条件としては、例えば、粉砕機として遊星ボールミル機を使用した場合、回転速度を数十〜数百回転/分とし、0.5時間〜100時間処理すればよい。より具体的に、本願実施例で使用した遊星型ボールミル(フリッチュ社製:型番P−7)の場合、遊星ボールミルの回転数は350rpm以上400rpm以下が好ましく、360rpm以上380rpm以下がより好ましい。
粉砕メディアであるボールは、例えば、ジルコニア製ボールを使用した場合、その直径は0.2〜20mmが好ましい。
As the conditions for pulverization and mixing, for example, when a planetary ball mill is used as the pulverizer, the rotation speed may be several tens to several hundreds revolutions / minute, and the treatment may be performed for 0.5 hours to 100 hours. More specifically, in the case of the planetary ball mill (Fritsch Co .: model number P-7) used in the examples of the present application, the rotation speed of the planetary ball mill is preferably 350 rpm or more and 400 rpm or less, more preferably 360 rpm or more and 380 rpm or less.
For example, when a zirconia ball is used as the ball which is a crushing medium, the diameter is preferably 0.2 to 20 mm.

粉砕混合で作製した中間体を、窒素、アルゴン等の不活性ガス雰囲気下、熱処理する。熱処理温度は350〜650℃が好ましく、400〜550℃がより好ましい。
従来技術(例えば、特許文献2〜5)では、硫化水素気流下で原料混合物を焼成している。これにより、焼成時に硫黄が補完されるため、加熱による硫黄欠損が抑制されると考える。一方、本実施形態では硫化水素不存在下で熱処理することができる。この場合、従来技術の固体電解質よりも硫黄の含有量が少なくなり、結晶構造中に硫黄の欠損が生じることでイオン伝導度の高い硫化物固体電解質が得られると考えている。
The intermediate body prepared by pulverization and mixing is heat-treated in an atmosphere of an inert gas such as nitrogen or argon. The heat treatment temperature is preferably 350 to 650 ° C, more preferably 400 to 550 ° C.
In the related art (for example, Patent Documents 2 to 5), the raw material mixture is fired under a hydrogen sulfide flow. As a result, sulfur is supplemented at the time of firing, and it is considered that sulfur deficiency due to heating is suppressed. On the other hand, in this embodiment, the heat treatment can be performed in the absence of hydrogen sulfide. In this case, it is considered that the sulfur content is lower than that of the conventional solid electrolyte, and the lack of sulfur occurs in the crystal structure, whereby a sulfide solid electrolyte having high ionic conductivity can be obtained.

例えば、本実施形態の硫化物固体電解質の原料として、硫化リチウム、五硫化二リン、ハロゲン化リチウムを使用する場合には、投入原料のモル比を、硫化リチウム:五硫化二リン:ハロゲン化リチウム=37〜88:8〜25:0.1〜50とすることができる。これらの原料に、機械的応力を加えて反応させ、中間体とした後、上述したように硫化水素不存在下で熱処理することで、上記式(1)〜(3)を満たす本実施形態の硫化物固体電解質を得ることができる。
また、投入原料の種類やモル比を調整することによっても、上記式(1)〜(3)を満たす本実施形態の硫化物固体電解質を得ることが可能である。例えば、硫化リンを使用する場合に、五硫化二リン(P)の一部又は全部を三硫化二リン(P)とすることが挙げられる。その他、リン源として単体リン(P)を用いることや、リチウム源として金属リチウム(Li)を用いることなどが考えられる。いずれも、LiS、P、LiXの3つの原料から計算される量論比から、相対的に硫黄を少なくするものである。
For example, when lithium sulfide, phosphorus pentasulfide, or lithium halide is used as the raw material of the sulfide solid electrolyte of the present embodiment, the molar ratio of the input raw materials is lithium sulfide: phosphorus pentasulfide: lithium halide. = 37 to 88: 8 to 25: 0.1 to 50. After mechanical stress is applied to these raw materials to react with each other to form an intermediate, the raw materials are heat treated in the absence of hydrogen sulfide as described above to satisfy the above formulas (1) to (3). A sulfide solid electrolyte can be obtained.
Further, the sulfide solid electrolyte of the present embodiment satisfying the above formulas (1) to (3) can also be obtained by adjusting the type and the molar ratio of the charged raw materials. For example, when phosphorus sulfide is used, some or all of phosphorus pentasulfide (P 2 S 5 ) may be phosphorus trisulfide (P 2 S 3 ). In addition, it is possible to use elemental phosphorus (P) as the phosphorus source, or to use metallic lithium (Li) as the lithium source. In each case, sulfur is relatively reduced from the stoichiometric ratio calculated from the three raw materials Li 2 S, P 2 S 5 , and LiX.

本実施形態の硫化物固体電解質は、リチウムイオン二次電池等の固体電解質層、正極、負極等に用いることができる。   The sulfide solid electrolyte of this embodiment can be used for a solid electrolyte layer of a lithium ion secondary battery or the like, a positive electrode, a negative electrode, or the like.

[電極合材]
本発明の一実施形態に係る電極合材は、上述した本発明の硫化物固体電解質と、活物質を含む。又は、本発明の硫化物固体電解質により製造される。活物質として負極活物質を使用すると負極合材となる。一方、正極活物質を使用すると正極合材となる。
[Electrode mixture]
An electrode mixture according to an embodiment of the present invention contains the above-described sulfide solid electrolyte of the present invention and an active material. Alternatively, it is produced by the sulfide solid electrolyte of the present invention. When a negative electrode active material is used as the active material, it becomes a negative electrode mixture. On the other hand, when a positive electrode active material is used, it becomes a positive electrode mixture.

・負極合材
本発明の硫化物固体電解質に負極活物質を配合することにより負極合材が得られる。
負極活物質としては、例えば、炭素材料、金属材料等を使用することができる。これらのうち2種以上からなる複合体も使用できる。また、今後開発される負極活物質も使用することができる。
また、負極活物質は電子伝導性を有していることが好ましい。
炭素材料としては、グラファイト(例えば、人造黒鉛)、黒鉛炭素繊維、樹脂焼成炭素、熱分解気相成長炭素、コークス、メソカーボンマイクロビーズ(MCMB)、フルフリルアルコール樹脂焼成炭素、ポリアセン、ピッチ系炭素繊維、気相成長炭素繊維、天然黒鉛及び難黒鉛化性炭素等が挙げられる。
金属材料としては、金属単体、合金、金属化合物が挙げられる。当該金属単体としては、金属ケイ素、金属スズ、金属リチウム、金属インジウム、金属アルミニウムが挙げられる。当該合金としては、ケイ素、スズ、リチウム、インジウム及びアルミニウムのうち少なくとも1つを含む合金が挙げられる。当該金属化合物としては、金属酸化物が挙げられる。金属酸化物は、例えば酸化ケイ素、酸化スズ、酸化アルミニウムである。
-Negative electrode composite material A negative electrode composite material can be obtained by mixing a negative electrode active material with the sulfide solid electrolyte of the present invention.
As the negative electrode active material, for example, a carbon material, a metal material or the like can be used. A complex composed of two or more of these may also be used. Further, a negative electrode active material developed in the future can also be used.
The negative electrode active material preferably has electronic conductivity.
Examples of the carbon material include graphite (for example, artificial graphite), graphite carbon fiber, resin-fired carbon, pyrolysis vapor-phase growth carbon, coke, mesocarbon microbeads (MCMB), furfuryl alcohol resin-fired carbon, polyacene, pitch-based carbon. Fibers, vapor grown carbon fibers, natural graphite, non-graphitizable carbon and the like can be mentioned.
Examples of the metal material include simple metals, alloys, and metal compounds. Examples of the metal simple substance include metal silicon, metal tin, metal lithium, metal indium, and metal aluminum. Examples of the alloy include alloys containing at least one of silicon, tin, lithium, indium, and aluminum. Examples of the metal compound include metal oxides. The metal oxide is, for example, silicon oxide, tin oxide or aluminum oxide.

負極活物質と固体電解質の配合割合は、負極活物質:固体電解質=95重量%:5重量%〜5重量%:95重量%が好ましく、90重量%:10重量%〜10重量%:90重量%がより好ましく、85重量%:15重量%〜15重量%:85重量%がさらに好ましい。
負極合材における負極活物質の含有量が少なすぎると電気容量が小さくなる。また、負極活物質が電子伝導性を有し、導電助剤を含まないか、又は少量の導電助剤しか含まない場合には、負極内の電子伝導性(電子伝導パス)が低下し、レート特性が低くなるおそれや、負極活物質の利用率が下がり、電気容量が低下するおそれがあると考える。一方、負極合材における負極活物質の含有量が多すぎると、負極内のイオン伝導性(イオン伝導パス)が低下し、レート特性が低くなるおそれや、負極活物質の利用率が下がり、電気容量が低下するおそれがあると考える。
The mixing ratio of the negative electrode active material and the solid electrolyte is preferably negative electrode active material: solid electrolyte = 95% by weight: 5% by weight to 5% by weight: 95% by weight, and 90% by weight: 10% by weight to 10% by weight: 90% by weight %, More preferably 85% by weight: 15% by weight to 15% by weight: 85% by weight.
If the content of the negative electrode active material in the negative electrode mixture is too small, the electric capacity becomes small. In addition, when the negative electrode active material has electron conductivity and does not contain a conductive auxiliary agent or contains only a small amount of conductive auxiliary agent, the electron conductivity (electron conductive path) in the negative electrode is lowered and It is considered that there is a possibility that the characteristics may be lowered, or the utilization factor of the negative electrode active material may be lowered, and the electric capacity may be lowered. On the other hand, if the content of the negative electrode active material in the negative electrode mixture is too large, the ion conductivity (ion conduction path) in the negative electrode may decrease, the rate characteristics may deteriorate, and the utilization rate of the negative electrode active material may decrease, resulting We think that the capacity may decrease.

負極合材は導電助剤をさらに含有することができる。
負極活物質の電子伝導性が低い場合には、導電助剤を添加することが好ましい。導電助剤は、導電性を有していればよく、その電子伝導度は、好ましくは1×10S/cm以上であり、より好ましくは1×10S/cm以上である。
導電助剤の具体例としては、好ましくは炭素材料、ニッケル、銅、アルミニウム、インジウム、銀、コバルト、マグネシウム、リチウム、クロム、金、ルテニウム、白金、ベリリウム、イリジウム、モリブデン、ニオブ、オスニウム、ロジウム、タングステン及び亜鉛からなる群より選択される少なくとも1つの元素を含む物質であり、より好ましくは導電性が高い炭素単体、炭素単体以外の炭素材料;ニッケル、銅、銀、コバルト、マグネシウム、リチウム、ルテニウム、金、白金、ニオブ、オスニウム又はロジウムを含む金属単体、混合物又は化合物である。
なお、炭素材料の具体例としては、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、デンカブラック、サーマルブラック、チャンネルブラック等のカーボンブラック;黒鉛、炭素繊維、活性炭等が挙げられ、これらは単独でも2種以上でも併用可能である。なかでも、電子伝導性が高いアセチレンブラック、デンカブラック、ケッチェンブラックが好適である。
The negative electrode mixture may further contain a conductive additive.
When the negative electrode active material has low electron conductivity, it is preferable to add a conductive additive. The conductive additive needs to have conductivity, and its electronic conductivity is preferably 1 × 10 3 S / cm or more, more preferably 1 × 10 5 S / cm or more.
Specific examples of the conductive aid, preferably carbon material, nickel, copper, aluminum, indium, silver, cobalt, magnesium, lithium, chromium, gold, ruthenium, platinum, beryllium, iridium, molybdenum, niobium, osmium, rhodium, A substance containing at least one element selected from the group consisting of tungsten and zinc, and more preferably a carbon element having high conductivity, or a carbon material other than carbon element; nickel, copper, silver, cobalt, magnesium, lithium, ruthenium. , A simple substance, a mixture or a compound containing gold, platinum, niobium, osmium or rhodium.
Specific examples of the carbon material include carbon black such as Ketjen black, acetylene black, denka black, thermal black, and channel black; graphite, carbon fiber, activated carbon, and the like. These may be used alone or in combination of two or more. It is possible. Of these, acetylene black, denka black, and Ketjen black, which have high electron conductivity, are preferable.

負極合材が導電助剤を含む場合の導電助剤の合材中の含有量は、好ましくは1〜40質量%、より好ましくは2〜20質量%である。導電助剤の含有量が少なすぎると、負極の電子伝導性が低下してレート特性が低くなるおそれや、負極活物質の利用率が下がり、電気容量が低下するおそれがあると考える。一方、導電助剤の含有量が多すぎると、負極活物質の量及び/又は固体電解質の量が少なくなる。負極活物質の量が少なくなると電気容量が低下すると推測する。また、固体電解質の量が少なくなると負極のイオン伝導性が低下し、レート特性が低くなるおそれや、負極活物質の利用率が下がり、電気容量が低下するおそれがあると考える。   When the negative electrode mixture contains a conduction aid, the content of the conduction aid in the mixture is preferably 1 to 40% by mass, more preferably 2 to 20% by mass. It is considered that when the content of the conductive additive is too small, the electron conductivity of the negative electrode may be lowered and the rate characteristic may be lowered, or the utilization factor of the negative electrode active material may be lowered, and the electric capacity may be lowered. On the other hand, if the content of the conductive additive is too large, the amount of the negative electrode active material and / or the amount of the solid electrolyte becomes small. It is assumed that the electric capacity decreases as the amount of the negative electrode active material decreases. Further, it is considered that when the amount of the solid electrolyte is reduced, the ionic conductivity of the negative electrode may be lowered, the rate characteristics may be lowered, or the utilization rate of the negative electrode active material may be lowered, and the electric capacity may be lowered.

負極活物質と固体電解質を互いに密に結着させるため、さらに結着剤を含んでもよい。
結着剤としては、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、フッ素ゴム等の含フッ素樹脂、あるいはポリプロピレン、ポリエチレン等の熱可塑性樹脂、エチレン−プロピレン−ジエンゴム(EPDM)、スルホン化EPDM、天然ブチルゴム(NBR)等を単独で、あるいは2種以上の混合物として用いることができる。また、水系バインダーであるセルロース系やスチレンブタジエンゴム(SBR)の水分散体等を用いることもできる。
A binder may be further included in order to tightly bind the negative electrode active material and the solid electrolyte to each other.
Examples of the binder include polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), fluorine-containing resins such as fluororubber, thermoplastic resins such as polypropylene and polyethylene, ethylene-propylene-diene rubber (EPDM), sulfonated EPDM, natural butyl rubber (NBR) and the like can be used alone or as a mixture of two or more kinds. Further, it is also possible to use an aqueous dispersion of cellulose-based or styrene-butadiene rubber (SBR) which is an aqueous binder.

負極合材は、固体電解質と負極活物質、並びに任意の導電助剤及び/又は結着剤を混合することで製造できる。
混合方法は限定されないが、例えば、乳鉢、ボールミル、ビーズミル、ジェットミル、遊星ボールミル、振動ボールミル、サンドミル、カッターミルを用いて混合する乾式混合;及び有機溶媒中に原料を分散させた後に、乳鉢、ボールミル、ビーズミル、遊星ボールミル、振動ボールミル、サンドミル、フィルミックスを用いて混合し、その後溶媒を除去する湿式混合を適用することができる。これらのうち、負極活物質粒子を破壊しないために湿式混合が好ましい。
The negative electrode mixture can be produced by mixing the solid electrolyte, the negative electrode active material, and any conductive auxiliary agent and / or binder.
The mixing method is not limited, for example, a mortar, a ball mill, a bead mill, a jet mill, a planetary ball mill, a vibrating ball mill, a sand mill, a dry mixing by using a cutter mill; and, after dispersing the raw materials in an organic solvent, a mortar, Wet mixing can be applied in which a ball mill, a bead mill, a planetary ball mill, a vibrating ball mill, a sand mill, and a fill mix are used, and then the solvent is removed. Of these, wet mixing is preferable because it does not destroy the negative electrode active material particles.

・正極合材
本発明の固体電解質に正極活物質を配合することにより正極合材が得られる。
正極活物質は、リチウムイオンの挿入脱離が可能な物質であり、電池分野において正極活物質として公知のものが使用できる。また、今後開発される正極活物質も使用することができる。
-Positive electrode composite material A positive electrode composite material can be obtained by compounding the solid electrolyte of the present invention with a positive electrode active material.
The positive electrode active material is a material capable of inserting and releasing lithium ions, and a known material as a positive electrode active material in the field of batteries can be used. Further, a positive electrode active material developed in the future can also be used.

正極活物質としては、例えば、金属酸化物、硫化物等が挙げられる。硫化物には、金属硫化物、非金属硫化物が含まれる。
金属酸化物は、例えば遷移金属酸化物である。具体的には、V、V13、LiCoO、LiNiO、LiMnO、LiMn、Li(NiCoMn)O(ここで、0<a<1、0<b<1、0<c<1、a+b+c=1)、LiNi1−YCo、LiCo1−YMn、LiNi1−YMn(ここで、0≦Y<1)、Li(NiCoMn)O(0<a<2、0<b<2、0<c<2、a+b+c=2)、LiMn2−ZNi、LiMn2−ZCo(ここで、0<Z<2)、LiCoPO、LiFePO、CuO、Li(NiCoAl)O(ここで、0<a<1、0<b<1、0<c<1、a+b+c=1)等が挙げられる。
金属硫化物としては、硫化チタン(TiS)、硫化モリブデン(MoS)、硫化鉄(FeS、FeS)、硫化銅(CuS)及び硫化ニッケル(Ni)等が挙げられる。
その他、金属酸化物としては、酸化ビスマス(Bi)、鉛酸ビスマス(BiPb)等が挙げられる。
非金属硫化物としては、有機ジスルフィド化合物、カーボンスルフィド化合物等が挙げられる。
上記の他、セレン化ニオブ(NbSe)、金属インジウム、硫黄も正極活物質として使用できる。
Examples of the positive electrode active material include metal oxides and sulfides. Sulfides include metal sulfides and non-metal sulfides.
The metal oxide is, for example, a transition metal oxide. Specifically, V 2 O 5 , V 6 O 13 , LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMnO 2 , LiMn 2 O 4 , Li (Ni a Co b Mn c ) O 2 (where 0 <a <1, 0 <b <1,0 <c < 1, a + b + c = 1), LiNi 1-Y Co Y O 2, LiCo 1-Y Mn Y O 2, LiNi 1-Y Mn Y O 2 ( where, 0 ≦ Y <1), Li (Ni a Co b Mn c) O 4 (0 <a <2,0 <b <2,0 <c <2, a + b + c = 2), LiMn 2-Z Ni Z O 4, LiMn 2 -Z Co Z O 4 (where, 0 <Z <2), LiCoPO 4, LiFePO 4, CuO, Li (Ni a Co b Al c) O 2 ( where, 0 <a <1,0 <b < 1, 0 <c <1, a + b + c = 1) and the like.
Examples of the metal sulfide include titanium sulfide (TiS 2 ), molybdenum sulfide (MoS 2 ), iron sulfide (FeS, FeS 2 ), copper sulfide (CuS), nickel sulfide (Ni 3 S 2 ), and the like.
Other examples of the metal oxide include bismuth oxide (Bi 2 O 3 ), bismuth lead oxide (Bi 2 Pb 2 O 5 ), and the like.
Examples of non-metal sulfides include organic disulfide compounds and carbon sulfide compounds.
In addition to the above, niobium selenide (NbSe 3 ), metallic indium, and sulfur can also be used as the positive electrode active material.

正極合材は、さらに導電助剤を含んでいてもよい。
導電助剤は、負極合材と同様である。
The positive electrode mixture may further contain a conductive auxiliary agent.
The conductive additive is the same as the negative electrode mixture.

正極合材の固体電解質及び正極活物質の配合割合、導電助剤の含有量、並びに正極合材の製造方法は、上述した負極合材と同様である。   The mixing ratio of the solid electrolyte and the positive electrode active material of the positive electrode mixture, the content of the conductive additive, and the method for producing the positive electrode mixture are the same as those of the above-described negative electrode mixture.

[リチウムイオン電池]
本発明の一実施形態に係るリチウムイオン電池は、上述した本発明の硫化物固体電解質及び電極合材のうち少なくとも1つを含む。又は、本発明の硫化物固体電解質及び電極合材のうち少なくとも1つにより製造される。
リチウムイオン電池の構成は限定されないが、一般に、負極層、電解質層及び正極層をこの順に積層した構造を有する。以下、リチウムイオン電池の各層について説明する。
[Lithium-ion battery]
A lithium ion battery according to one embodiment of the present invention includes at least one of the above-described sulfide solid electrolyte of the present invention and an electrode mixture. Alternatively, it is manufactured by at least one of the sulfide solid electrolyte and the electrode mixture of the present invention.
Although the structure of the lithium ion battery is not limited, it generally has a structure in which a negative electrode layer, an electrolyte layer, and a positive electrode layer are laminated in this order. Hereinafter, each layer of the lithium ion battery will be described.

(1)負極層
負極層は、好ましくは本発明の負極合材から製造される層である。
又は、負極層は、好ましくは本発明の負極合材を含む層である。
負極層の厚さは、100nm以上5mm以下が好ましく、1μm以上3mm以下がより好ましく、5μm以上1mm以下がさらに好ましい。
負極層は公知の方法により製造することができ、例えば、塗布法、静電法(静電スプレー法、静電スクリーン法等)により製造することができる。
(1) Negative Electrode Layer The negative electrode layer is preferably a layer manufactured from the negative electrode mixture material of the present invention.
Alternatively, the negative electrode layer is preferably a layer containing the negative electrode mixture material of the present invention.
The thickness of the negative electrode layer is preferably 100 nm or more and 5 mm or less, more preferably 1 μm or more and 3 mm or less, and further preferably 5 μm or more and 1 mm or less.
The negative electrode layer can be manufactured by a known method, for example, a coating method or an electrostatic method (electrostatic spray method, electrostatic screen method, etc.).

(2)電解質層
電解質層は、固体電解質を含む層又は固体電解質から製造された層である。当該固体電解質は限定されないが、好ましくは本発明の硫化物固体電解質である。
電解質層は、固体電解質のみからなってもよく、さらにバインダーを含んでもよい。当該バインダーとしては、本発明の負極合材の結着剤と同じものが使用できる。
(2) Electrolyte layer The electrolyte layer is a layer containing a solid electrolyte or a layer manufactured from the solid electrolyte. The solid electrolyte is not limited, but is preferably the sulfide solid electrolyte of the present invention.
The electrolyte layer may consist only of a solid electrolyte, and may further contain a binder. As the binder, the same binder as the binder for the negative electrode mixture of the present invention can be used.

電解質層の厚さは、0.001mm以上1mm以下であることが好ましい。
電解質層の固体電解質は、融着していてもよい。融着とは、固体電解質粒子の一部が溶解し、溶解した部分が他の固体電解質粒子と一体化することを意味する。また、電解質層は、固体電解質の板状体であってもよく、当該板状体は、固体電解質粒子の一部又は全部が溶解し、板状体になっている場合も含む。
電解質層は、公知の方法により製造することができ、例えば、塗布法、静電法(静電スプレー法、静電スクリーン法等)により製造することができる。
The thickness of the electrolyte layer is preferably 0.001 mm or more and 1 mm or less.
The solid electrolyte of the electrolyte layer may be fused. Fusing means that a part of the solid electrolyte particles is dissolved and the melted part is integrated with other solid electrolyte particles. Further, the electrolyte layer may be a plate-like body of a solid electrolyte, and the plate-like body also includes a case where a part or all of the solid electrolyte particles are dissolved to form a plate-like body.
The electrolyte layer can be produced by a known method, for example, a coating method or an electrostatic method (electrostatic spray method, electrostatic screen method, etc.).

(3)正極層
正極層は、正極活物質を含む層であり、好ましくは本発明の正極合材を含む層又は本発明の正極合材から製造された層である。
正極層の厚さは、0.01mm以上10mm以下であることが好ましい。
正極層は、公知の方法により製造することができ、例えば、塗布法、静電法(静電スプレー法、静電スクリーン法等)により製造することができる。
(3) Positive Electrode Layer The positive electrode layer is a layer containing a positive electrode active material, and is preferably a layer containing the positive electrode mixture of the present invention or a layer produced from the positive electrode mixture of the present invention.
The thickness of the positive electrode layer is preferably 0.01 mm or more and 10 mm or less.
The positive electrode layer can be manufactured by a known method, for example, a coating method or an electrostatic method (electrostatic spray method, electrostatic screen method, etc.).

(4)集電体
本実施形態のリチウムイオン電池は、好ましくは集電体をさらに備える。例えば負極集電体は負極層の電解質層側とは反対側に、正極集電体は正極層の電解質層側とは反対側に設ける。
集電体として、銅、マグネシウム、ステンレス鋼、チタン、鉄、コバルト、ニッケル、亜鉛、アルミニウム、ゲルマニウム、インジウム、リチウム、又はこれらの合金等からなる板状体や箔状体等が使用できる。
(4) Current Collector The lithium-ion battery of this embodiment preferably further comprises a current collector. For example, the negative electrode current collector is provided on the opposite side of the negative electrode layer from the electrolyte layer side, and the positive electrode current collector is provided on the opposite side of the positive electrode layer from the electrolyte layer side.
As the current collector, a plate-like body or a foil-like body made of copper, magnesium, stainless steel, titanium, iron, cobalt, nickel, zinc, aluminum, germanium, indium, lithium, or an alloy thereof can be used.

本実施形態のリチウムイオン電池は、上述した各部材を貼り合せ、接合することで製造できる。接合する方法としては、各部材を積層し、加圧・圧着する方法や、2つのロール間を通して加圧する方法(roll to roll)等がある。
また、接合面にイオン伝導性を有する活物質や、イオン伝導性を阻害しない接着物質を介して接合してもよい。
接合においては、固体電解質の結晶構造が変化しない範囲で加熱融着してもよい。
また、本実施形態のリチウムイオン電池は、上述した各部材を順次形成することでも製造できる。公知の方法により製造することができ、例えば、塗布法、静電法(静電スプレー法、静電スクリーン法等)により製造することができる。
The lithium-ion battery of this embodiment can be manufactured by bonding and joining the above-mentioned members. As a method of joining, there are a method of laminating each member and pressurizing / compressing it, a method of pressing between two rolls (roll to roll), and the like.
Alternatively, the bonding surface may be bonded via an active material having ion conductivity or an adhesive material that does not inhibit ion conductivity.
In the joining, heat fusion may be performed within a range in which the crystal structure of the solid electrolyte does not change.
The lithium ion battery of this embodiment can also be manufactured by sequentially forming the above-mentioned members. It can be manufactured by a known method, for example, a coating method, an electrostatic method (electrostatic spray method, electrostatic screen method, etc.).

以下、本発明を実施例により、さらに詳細に説明する。
なお、評価方法は以下のとおりである。
(1)イオン伝導度測定と電子伝導性測定
各例で製造した硫化物固体電解質を、錠剤成形機に充填し、ミニプレス機を用いて407MPa(プレス表示値22MPa)の圧力を加え成形体とした。電極としてカーボンを成形体の両面に乗せ、再度錠剤成形機にて圧力を加えることで、測定用の成形体(直径約10mm、厚み0.1〜0.2cm)を作製した。この成形体について交流インピーダンス測定によりイオン伝導度を測定した。伝導度の値は25℃における数値を採用した。
なお、本実施例で用いたイオン伝導度の測定方法では、イオン伝導度が1.0×10−6S/cm未満の場合には、イオン伝導度を正確に測ることができないため、測定不能とした。
また、この成形体について直流電気測定により電子伝導度を測定した。電子伝導度の値は25℃における数値を採用した。なお、5Vの電圧を印加したときの電子伝導度が1.0×10−6S/cm未満の場合、電子伝導性は測定不能とした。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples.
The evaluation method is as follows.
(1) Ionic Conductivity Measurement and Electronic Conductivity Measurement The sulfide solid electrolyte produced in each example was filled in a tablet molding machine, and a pressure of 407 MPa (press display value 22 MPa) was applied using a mini press machine to obtain a molded body. did. Carbon was placed on both sides of the molded body as an electrode, and pressure was again applied by a tablet molding machine to produce a molded body for measurement (about 10 mm in diameter and 0.1 to 0.2 cm in thickness). The ionic conductivity of this molded body was measured by AC impedance measurement. The value of the conductivity at 25 ° C. was adopted.
In the measuring method of ionic conductivity used in this example, if the ionic conductivity is less than 1.0 × 10 −6 S / cm, the ionic conductivity cannot be measured accurately, and therefore the measurement is impossible. And
The electronic conductivity of this molded product was measured by direct current electrical measurement. The value at 25 ° C. was adopted as the value of electron conductivity. When the electron conductivity when a voltage of 5 V was applied was less than 1.0 × 10 −6 S / cm, the electron conductivity was determined to be unmeasurable.

(2)X線回折(XRD)測定
各例で製造した硫化物固体電解質の粉末から、直径10mm、高さ0.1〜0.3cmの円形ペレットを成形して試料とした。この試料を、XRD用気密ホルダーを用いて空気に触れさせずに測定した。回折ピークの2θ位置は、XRD解析プログラムJADEを用いて重心法にて決定した。
株式会社リガクの粉末X線回折測定装置SmartLabを用いて以下の条件にて実施した。
管電圧:45kV
管電流:200mA
X線波長:Cu−Kα線(1.5418Å)
光学系:平行ビーム法
スリット構成:ソーラースリット5°、入射スリット1mm、受光スリット1mm
検出器:シンチレーションカウンター
測定範囲:2θ=10−60deg
ステップ幅、スキャンスピード:0.02deg、1deg/分
測定結果より結晶構造の存在を確認するためのピーク位置の解析では、XRD解析プログラムJADEを用い、3次式近似によりベースラインを引いて、ピーク位置を求めた。
ピーク強度においては、2θ=29.7±0.5degに存在するアルジロダイト型結晶構造の1本のピーク強度、2θ=17.6±0.4degかつ18.1±0.4degに存在するLiPS結晶構造の2本のピーク強度を次の手順で解析し、強度比を計算した。
実測データの5点のデータの移動平均によりスムージングを行い、16.5〜17.5degの間の最低強度点をバックグランドとして実測データから差し引いた。その後、17.0〜17.8deg及び17.9〜18.5degの実測データの最大値間の実測データの最大値を算出し、その小さい方のピーク強度をLiPS結晶構造のピーク強度として用いた。また、アルジロダイト型結晶構造のピーク強度は29.0〜32.0degの実測データの最大値をピーク強度として算出した。
(2) X-ray Diffraction (XRD) Measurement From the powder of the sulfide solid electrolyte produced in each example, a circular pellet having a diameter of 10 mm and a height of 0.1 to 0.3 cm was formed into a sample. This sample was measured without contact with air using an airtight XRD holder. The 2θ position of the diffraction peak was determined by the center of gravity method using the XRD analysis program JADE.
It was carried out under the following conditions using a powder X-ray diffraction measuring device SmartLab manufactured by Rigaku Corporation.
Tube voltage: 45 kV
Tube current: 200 mA
X-ray wavelength: Cu-Kα ray (1.5418 °)
Optical system: parallel beam method Slit configuration: solar slit 5 °, incident slit 1 mm, light receiving slit 1 mm
Detector: Scintillation counter Measurement range: 2θ = 10-60 deg
Step width, scan speed: 0.02 deg, 1 deg / min In the analysis of the peak position for confirming the existence of the crystal structure from the measurement results, the XRD analysis program JADE was used to draw a baseline by cubic approximation, The position was determined.
In terms of peak intensity, one peak intensity of the aldilodite type crystal structure present at 2θ = 29.7 ± 0.5 deg, Li 3 present at 2θ = 17.6 ± 0.4 deg and 18.1 ± 0.4 deg. The two peak intensities of the PS 4 crystal structure were analyzed by the following procedure, and the intensity ratio was calculated.
Smoothing was performed by moving average of 5 points of the measured data, and the lowest intensity point between 16.5 to 17.5 deg was used as the background and subtracted from the measured data. Then, the maximum value of the actual measurement data between the maximum values of the actual measurement data of 17.0 to 17.8 deg and 17.9 to 18.5 deg was calculated, and the smaller peak intensity was calculated as the peak intensity of the Li 3 PS 4 crystal structure. Used as. In addition, the peak intensity of the aldilodite type crystal structure was calculated using the maximum value of the measured data of 29.0 to 32.0 deg as the peak intensity.

(3)ICP測定
各例で製造した硫化物固体電解質の粉末を秤量し、アルゴン雰囲気中で、バイアル瓶に採取した。バイアル瓶にKOHアルカリ水溶液を入れ、硫黄分の捕集に注意しながらサンプルを溶解し、適宜希釈、測定溶液とした。これを、パッシェンルンゲ型ICP−OES装置(SPECTRO社製SPECTRO ARCOS)にて測定し、組成を決定した。
検量線溶液は、Li、P、SはICP測定用1000mg/L標準溶液を、Cl、Brはイオンクロマトグラフ用1000mg/L標準溶液を、Iはよう化カリウム(試薬特級)を用いて調製した。
各試料で2つの測定溶液を調整し、各測定溶液で5回の測定を行い、平均値を算出した。その2つの測定溶液の測定値の平均で組成を決定した。
(3) ICP measurement The powder of the sulfide solid electrolyte produced in each example was weighed and collected in a vial in an argon atmosphere. A KOH alkaline aqueous solution was placed in a vial, the sample was dissolved while paying attention to the collection of sulfur content, and diluted appropriately to obtain a measurement solution. The composition was determined by measuring this with a Paschen-Lunge ICP-OES device (SPECTRO ARCOS manufactured by SPECRO).
The calibration curve solutions were prepared by using Li, P, and S as 1000 mg / L standard solutions for ICP measurement, Cl and Br as 1000 mg / L standard solutions for ion chromatography, and I as potassium iodide (special grade reagent). .
Two measurement solutions were prepared for each sample, each measurement solution was measured 5 times, and the average value was calculated. The composition was determined by averaging the measured values of the two measurement solutions.

製造例1
(硫化リチウム(LiS)の製造)
撹拌機付きの500mLセパラブルフラスコに、不活性ガス下で乾燥したLiOH無水物(本荘ケミカル社製)を200g仕込んだ。窒素気流下にて昇温し、内部温度を200℃に保持した。窒素ガスを硫化水素ガス(住友精化)に切り替え、500mL/minの流量にし、LiOH無水物と硫化水素を反応させた。
反応により発生する水分はコンデンサーにより凝縮して回収した。反応を6時間行った時点で水が144mL回収された。さらに3時間反応を継続したが、水の発生は見られなかった。
生成物粉末を回収して、純度及びXRDを測定した。その結果、純度は98.5%であり、XRDではLiSのピークパターンが確認できた。
Production example 1
(Production of lithium sulfide (Li 2 S))
A 500 mL separable flask equipped with a stirrer was charged with 200 g of LiOH anhydride (manufactured by Honjo Chemical Co., Ltd.) dried under an inert gas. The temperature was raised under a nitrogen stream, and the internal temperature was maintained at 200 ° C. The nitrogen gas was switched to hydrogen sulfide gas (Sumitomo Seika), the flow rate was set to 500 mL / min, and the LiOH anhydride and hydrogen sulfide were reacted.
Water generated by the reaction was condensed and collected by a condenser. When the reaction was performed for 6 hours, 144 mL of water was recovered. The reaction was continued for another 3 hours, but no generation of water was observed.
The product powder was collected and measured for purity and XRD. As a result, the purity was 98.5%, and a peak pattern of Li 2 S was confirmed by XRD.

実施例1
製造例1で製造した硫化リチウム(純度98.5%)、五硫化二リン(サーモフォス社製、純度99.9%以上)及び塩化リチウム(シグマアルドリッチ社製、純度99%)を出発原料に用いた(以下、全ての実施例において、各出発原料の純度は同様である)。硫化リチウム(Li2S)、五硫化二リン(P2S5)及び塩化リチウム(LiCl)のmol比(LiS:P:LiCl)が46.8:12.7:40.5となるように、各原料を混合した。具体的には、硫化リチウム0.483g、五硫化二リン0.632g、塩化リチウム0.385gを混合し、原料混合物とした。
Example 1
Use lithium sulfide (purity 98.5%), diphosphorus pentasulfide (manufactured by Thermophos, purity 99.9% or more) and lithium chloride (manufactured by Sigma-Aldrich, purity 99%) manufactured in Preparation Example 1 as starting materials. (Hereinafter, the purity of each starting material is the same in all the examples). The molar ratio (Li 2 S: P 2 S 5 : LiCl) of lithium sulfide (Li2S), phosphorus pentasulfide (P2S5) and lithium chloride (LiCl) is set to 46.8: 12.7: 40.5. , Each raw material was mixed. Specifically, 0.483 g of lithium sulfide, 0.632 g of diphosphorus pentasulfide, and 0.385 g of lithium chloride were mixed to obtain a raw material mixture.

原料混合物と、直径10mmのジルコニア製ボール30gとを遊星型ボールミル(フリッチュ社製:型番P−7)ジルコニア製ポット(45mL)に入れ、完全密閉した。ポット内はアルゴン雰囲気とした。遊星型ボールミルで回転数を370rpmにして60時間処理(メカニカルミリング)し、ガラス状の粉末(中間体)を得た。中間体について、XRDで評価した結果を図1に示す。得られたXRDパターンから大部分がガラスであることが確認できた。中間体のXRDのデータでは、原料であるLiSとLiClのピークのみが観察された。
上記中間体の粉末約1.5gをAr雰囲気下のグローブボックス内で、タンマン管(PT2,東京硝子機器株式会社製)内に詰め、石英ウールでタンマン管の口を塞ぎ、さらにSUS製の密閉容器で大気が入らないよう封をした。その後、密閉容器を電気炉(FUW243PA、アドバンテック社製)内に入れ熱処理した。具体的には、室温から500℃まで2.5℃/minで昇温し(3時間で500℃に昇温)、500℃で8時間保持した。その後、徐冷し、硫化物固体電解質を得た。
The raw material mixture and 30 g of zirconia balls having a diameter of 10 mm were placed in a planetary ball mill (Fritsch Corp .: Model No. P-7) zirconia pot (45 mL) and completely sealed. Argon atmosphere was used in the pot. A planetary ball mill was operated at a rotation speed of 370 rpm for 60 hours (mechanical milling) to obtain a glassy powder (intermediate). The results of XRD evaluation of the intermediate are shown in FIG. It was confirmed from the obtained XRD pattern that most of the glass was glass. In the XRD data of the intermediate, only the peaks of the raw materials Li 2 S and LiCl were observed.
About 1.5 g of the above-mentioned intermediate powder was packed in a Tammann tube (PT2, made by Tokyo Glass Equipment Co., Ltd.) in a glove box under Ar atmosphere, the mouth of the Tammann tube was closed with quartz wool, and further made of SUS. The container was sealed to prevent air from entering. Thereafter, the sealed container was placed in an electric furnace (FUW243PA, manufactured by Advantech) and heat-treated. Specifically, the temperature was raised from room temperature to 500 ° C at a rate of 2.5 ° C / min (the temperature was raised to 500 ° C in 3 hours), and the temperature was kept at 500 ° C for 8 hours. Then, the mixture was gradually cooled to obtain a sulfide solid electrolyte.

硫化物固体電解質のイオン伝導度(σ)は、6.9mS/cmであった。なお、電子伝導性は10−6S/cm未満であった。
硫化物固体電解質のXRDパターンを図2に示す。2θ=15.5、18.0、25.5、30.0、31.4、45.2、48.0degにアルジロダイト型結晶構造に由来するピークが観測された。一方、17.6±0.4degのLiPS結晶構造に由来するピークは観測されなかった。
硫化物固体電解質をICP分析し、各元素のモル比を測定した。結果を表1に示す。
The ionic conductivity (σ) of the sulfide solid electrolyte was 6.9 mS / cm. The electronic conductivity was less than 10 −6 S / cm.
The XRD pattern of the sulfide solid electrolyte is shown in FIG. At 2θ = 15.5, 18.0, 25.5, 30.0, 31.4, 45.2, and 48.0 deg, peaks derived from the aldyrodiite type crystal structure were observed. On the other hand, the peak derived from the Li 3 PS 4 crystal structure of 17.6 ± 0.4 deg was not observed.
The sulfide solid electrolyte was subjected to ICP analysis to measure the molar ratio of each element. The results are shown in Table 1.

実施例2
遊星型ボールミルによる処理時間を15時間とした他は、実施例1と同様にして硫化物固体電解質を作製し、評価した。結果を表1に示す。
XRDの測定結果、2θ=15.6、18.0、25.6、30.1、31.5、45.2、48.1degにアルジロダイト型結晶構造に由来するピークが観測された。一方、LiPS結晶構造に由来するピークは観測されなかった。
Example 2
A sulfide solid electrolyte was prepared and evaluated in the same manner as in Example 1 except that the treatment time by the planetary ball mill was 15 hours. The results are shown in Table 1.
As a result of XRD measurement, peaks derived from the aldilodite type crystal structure were observed at 2θ = 15.6, 18.0, 25.6, 30.1, 31.5, 45.2, and 48.1 deg. On the other hand, no peak derived from the Li 3 PS 4 crystal structure was observed.

実施例3〜15、比較例1〜6
原料組成、メカニカルミリングの条件、及び中間体の熱処理条件をを表2に示すように変更した他は、実施例2と同様にして硫化物固体電解質を作製し、評価した。結果を表1に示す。
なお、XRDの測定結果について、実施例3では、2θ=15.1、18.0、25.4、29.9、31.3、44.9、47.8degにアルジロダイト型結晶構造に由来するピークが観測された。一方、LiPS結晶構造に由来するピークは観測されなかった。
比較例1では、2θ=15.5、17.7、25.5、30.0、31.4、44.8、48.0degにアルジロダイト型結晶構造に由来するピークが観測された。一方、LiPS結晶構造に由来するピークは観測されなかった。
Examples 3-15, Comparative Examples 1-6
A sulfide solid electrolyte was prepared and evaluated in the same manner as in Example 2 except that the raw material composition, the conditions of mechanical milling, and the heat treatment conditions of the intermediate were changed as shown in Table 2. The results are shown in Table 1.
In addition, regarding the measurement result of XRD, in Example 3, 2θ = 15.1, 18.0, 25.4, 29.9, 31.3, 44.9, and 47.8 deg are derived from the aldyrodite type crystal structure. A peak was observed. On the other hand, no peak derived from the Li 3 PS 4 crystal structure was observed.
In Comparative Example 1, peaks derived from the aldilodite type crystal structure were observed at 2θ = 15.5, 17.7, 25.5, 30.0, 31.4, 44.8 and 48.0 deg. On the other hand, no peak derived from the Li 3 PS 4 crystal structure was observed.

比較例7
実施例1で用いた硫化リチウム(LiS)、五硫化二リン(P)及び塩化リチウム(LiCl)のmol比(LiS:P:LiCl)が1.9:0.5:1.6となるように、各原料を混合した。
原料混合物と、直径10mmのジルコニア製ボール30gとを遊星型ボールミル(フリッチュ社製:型番P−7)ジルコニア製ポット(45mL)に入れ、完全密閉した。ポット内はアルゴン雰囲気とした。遊星型ボールミルで原料粉末の結晶性を維持できる程度に混合し、混合粉末を得た。
得られた混合粉末のXRDパターンを図3に示す。得られたXRDパターンでは、原料であるLiS、P、LiClのピークが確認でき、原料粉末の結晶性が維持されていた。
Comparative Example 7
The molar ratio (Li 2 S: P 2 S 5 : LiCl) of lithium sulfide (Li 2 S), phosphorus pentasulfide (P 2 S 5 ) and lithium chloride (LiCl) used in Example 1 was 1.9: The respective raw materials were mixed so that the ratio became 0.5: 1.6.
The raw material mixture and 30 g of zirconia balls having a diameter of 10 mm were placed in a planetary ball mill (Fritsch Corp .: Model No. P-7) zirconia pot (45 mL) and completely sealed. Argon atmosphere was used in the pot. The raw material powders were mixed in a planetary ball mill to such an extent that the crystallinity of the raw material powders could be maintained to obtain a mixed powder.
The XRD pattern of the obtained mixed powder is shown in FIG. In the obtained XRD pattern, peaks of the raw materials Li 2 S, P 2 S 5 , and LiCl were confirmed, and the crystallinity of the raw material powder was maintained.

上記混合粉末の約1.5gをAr雰囲気下のグローブボックス内で、シール機能付きのガラス管内に詰め、大気が入らないように、ガラス管の先端を専用治具で封をした。その後、ガラス管を電気炉内にセットした。専用治具を電気炉内にある継手に差し入れて、ガス流通管に繋ぎ、硫化水素を20mL/minで流通しながら熱処理した。具体的には室温から500℃まで2.5℃/minで昇温し(3時間で500℃に昇温)、500℃で4時間保持した。その後、徐冷し、硫化物固体電解質を得た。   Approximately 1.5 g of the mixed powder was packed in a glass tube with a sealing function in a glove box under Ar atmosphere, and the tip of the glass tube was sealed with a dedicated jig so that air could not enter. Then, the glass tube was set in the electric furnace. The dedicated jig was inserted into a joint in the electric furnace, connected to a gas flow pipe, and heat-treated while flowing hydrogen sulfide at 20 mL / min. Specifically, the temperature was raised from room temperature to 500 ° C at a rate of 2.5 ° C / min (the temperature was raised to 500 ° C in 3 hours), and the temperature was kept at 500 ° C for 4 hours. Then, the mixture was gradually cooled to obtain a sulfide solid electrolyte.

得られた硫化物固体電解質をICP分析し、各元素のモル比を測定した。また、イオン伝導度を測定した。その結果、a(Li/P)=5.4、b(S/P)=4.4、c(Cl/P)=1.6であり、イオン伝導度(σ)は、2.7mS/cmであった。   The obtained sulfide solid electrolyte was subjected to ICP analysis to measure the molar ratio of each element. Also, the ionic conductivity was measured. As a result, a (Li / P) = 5.4, b (S / P) = 4.4, c (Cl / P) = 1.6, and the ionic conductivity (σ) is 2.7 mS /. It was cm.

実施例16
実施例1で用いた原料である硫化リチウム(LiS)、五硫化二リン(P)、及び塩化リチウム(LiCl)に、さらにヨウ化リチウム(LiI:シグマアルドリッチ社製、純度99%)を原料に用いた。これら原料のmol比(LiS:P:LiCl:LiI)が46.8:12.7:38.0:2.5となるように、各原料を混合した。具体的には、硫化リチウム0.467g、五硫化二リン0.610g、塩化リチウム0.349g、ヨウ化リチウム0.074gを混合し、原料混合物とした。
得られた原料混合物を用いて、実施例1と同じメカニカルミリング条件及び熱処理条件で硫化物固体電解質を作製した。得られた硫化物固体電解質のイオン伝導度(σ)は、5.5mS/cmであった。なお、電子伝導性は10−6S/cm未満であった。
得られた硫化物固体電解質について、XRD測定した結果、アルジロダイト型結晶構造に由来するピークが観測された。
ICP分析の結果、モル比a(Li/P)は5.38、モル比b(S/P)は4.36、モル比c((Cl+I)/P)は1.70であった。
Example 16
The raw materials used in Example 1, lithium sulfide (Li 2 S), phosphorus pentasulfide (P 2 S 5 ), and lithium chloride (LiCl), and lithium iodide (LiI: manufactured by Sigma-Aldrich Co., purity 99). %) Was used as the raw material. The raw materials were mixed so that the molar ratio of these raw materials (Li 2 S: P 2 S 5 : LiCl: LiI) was 46.8: 12.7: 38.0: 2.5. Specifically, 0.467 g of lithium sulfide, 0.610 g of diphosphorus pentasulfide, 0.349 g of lithium chloride and 0.074 g of lithium iodide were mixed to obtain a raw material mixture.
Using the obtained raw material mixture, a sulfide solid electrolyte was produced under the same mechanical milling conditions and heat treatment conditions as in Example 1. The ionic conductivity (σ) of the obtained sulfide solid electrolyte was 5.5 mS / cm. The electronic conductivity was less than 10 −6 S / cm.
The obtained sulfide solid electrolyte was subjected to XRD measurement, and as a result, a peak derived from an aldilodite type crystal structure was observed.
As a result of ICP analysis, the molar ratio a (Li / P) was 5.38, the molar ratio b (S / P) was 4.36, and the molar ratio c ((Cl + I) / P) was 1.70.

上記に本発明の実施形態及び/又は実施例を幾つか詳細に説明したが、当業者は、本発明の新規な教示及び効果から実質的に離れることなく、これら例示である実施形態及び/又は実施例に多くの変更を加えることが容易である。従って、これらの多くの変更は本発明の範囲に含まれる。
本願のパリ優先の基礎となる日本出願明細書の内容を全てここに援用する。
Although some of the embodiments and / or examples of the present invention have been described in detail above, those skilled in the art may substantially without departing from the novel teachings and effects of the present invention. It is easy to make many changes to the embodiment. Therefore, many of these modifications are within the scope of the invention.
The entire contents of the Japanese application specification which is the basis of the priority of Paris in the present application are incorporated herein.

Claims (10)

リチウムと、リンと、硫黄と、
硫黄を除くカルコゲン元素及びハロゲン元素からなる群より選択される1種以上の元素Xと、を含み、
アルジロダイト型結晶構造を含み、
前記リチウムのリンに対するモル比a(Li/P)、前記硫黄のリンに対するモル比b(S/P)及び前記元素Xのリンに対するモル比c(X/P)が、下記式(1)〜(3)を満たす、硫化物固体電解質。
5.0≦a≦7.1 (1)
1.0<a−b≦1.5 (2)
6.5≦a+c<7.1 (3)
(式中、b>0且つc>0を満たす。)
Lithium, phosphorus, sulfur,
Including one or more elements X selected from the group consisting of chalcogen elements other than sulfur and halogen elements,
Including an aldilodite type crystal structure,
The molar ratio a (Li / P) of lithium to phosphorus, the molar ratio b (S / P) of sulfur to phosphorus, and the molar ratio c (X / P) of the element X to phosphorus are represented by the following formulas (1) to A sulfide solid electrolyte that satisfies (3).
5.0 ≦ a ≦ 7.1 (1)
1.0 <ab = 1.5 (2)
6.5 ≦ a + c <7.1 (3)
(In the formula, b> 0 and c> 0 are satisfied.)
下記式(4)で表される組成を満たす、請求項1に記載の硫化物固体電解質。
Li(P1−z)S (4)
(式中、Mは、Si、Ge、Sn、Pb、B、Al、Ga、As、Sb及びBiからなる群より選択される1以上の元素であり、Xは、F、Cl、Br、I、O、Se及びTeからなる群から選択される1以上の元素である。a〜cは上記式(1)〜(3)を満たす。zは0≦z≦0.3である。)
The sulfide solid electrolyte according to claim 1, which satisfies the composition represented by the following formula (4).
Li a (P 1-z M z ) S b X c (4)
(In the formula, M is one or more elements selected from the group consisting of Si, Ge, Sn, Pb, B, Al, Ga, As, Sb and Bi, and X is F, Cl, Br, I. , O, Se, and Te are one or more elements selected from the group consisting of a to c satisfying the above formulas (1) to (3), and z is 0 ≦ z ≦ 0.3.
前記XがF、Cl、Br及びIから選択される1以上のハロゲン元素である、請求項2に記載の硫化物固体電解質。   The sulfide solid electrolyte according to claim 2, wherein the X is one or more halogen elements selected from F, Cl, Br and I. CuKα線を使用した粉末X線回折において、2θ=25.2±0.5deg及び29.7±0.5degに回折ピークを有する、請求項1〜3のいずれかに記載の硫化物固体電解質。   The sulfide solid electrolyte according to any one of claims 1 to 3, which has a diffraction peak at 2θ = 25.2 ± 0.5 deg and 29.7 ± 0.5 deg in powder X-ray diffraction using CuKα ray. さらに、CuKα線を使用した粉末X線回折において、2θ=15.3±0.5deg、17.7±0.5deg、31.1±0.5deg、44.9±0.5deg及び47.7±0.5degの回折ピークのうち少なくとも1つを有する、請求項4に記載の硫化物固体電解質。  Further, in powder X-ray diffraction using CuKα ray, 2θ = 15.3 ± 0.5 deg, 17.7 ± 0.5 deg, 31.1 ± 0.5 deg, 44.9 ± 0.5 deg and 47.7. The sulfide solid electrolyte according to claim 4, which has at least one of diffraction peaks of ± 0.5 deg. 前記回折ピークの範囲が中央値の±0.3degである、請求項4又は5に記載の硫化物固体電解質。  The sulfide solid electrolyte according to claim 4 or 5, wherein the range of the diffraction peak is ± 0.3 deg of the median value. イオン伝導度が5.1mS/cm以上である、請求項1〜6のいずれかに記載の硫化物固体電解質。  The sulfide solid electrolyte according to claim 1, which has an ionic conductivity of 5.1 mS / cm or more. CuKα線を使用した粉末X線回折において、2θ=17.6±0.4deg及び2θ=18.1±0.4degに回折ピーク(アルジロダイト型結晶構造に起因する回折ピークではない)を有しないか、有する場合には下記式(5)を満たす、請求項1〜7のいずれかに記載の硫化物固体電解質。  Does the powder X-ray diffraction using CuKα ray have a diffraction peak at 2θ = 17.6 ± 0.4 deg and 2θ = 18.1 ± 0.4 deg (not a diffraction peak due to an aldilodite type crystal structure)? The sulfide solid electrolyte according to any one of claims 1 to 7, which, when included, satisfies the following formula (5).
0<I        0 <I A /I/ I B <0.05 (5)<0.05 (5)
(式中、I(In the formula, I A は2θ=17.6±0.4deg及び2θ=18.1±0.4degのうちアルジロダイト型結晶構造の回折ピークではないものの回折ピークの強度を表し、IRepresents the intensity of the diffraction peak of 2θ = 17.6 ± 0.4 deg and 2θ = 18.1 ± 0.4 deg which is not the diffraction peak of the aldyrodiite type crystal structure, and I B は2θ=29.7±0.5degの回折ピークの強度を表す。)Represents the intensity of the diffraction peak at 2θ = 29.7 ± 0.5 deg. )
請求項1〜のいずれかに記載の硫化物固体電解質と、活物質を含む電極合材。 Electrode mixture comprising a sulfide solid electrolyte according, the active material in any one of claims 1-8. 請求項1〜のいずれかに記載の硫化物固体電解質及び請求項に記載の電極合材のうち少なくとも1つを含むリチウムイオン電池。 Lithium ion battery comprising at least one of the electrodes cause material according to sulfide solid electrolyte and claim 9 according to any one of claims 1-8.
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